Vraag aan Ethan: Hoe weten we de leeftijd van het zonnestelsel?

een protoplanetaire schijf. Er zijn veel onbekende eigenschappen over protoplanetaire schijven rond zonachtige sterren, waaronder de elementaire segregatie van verschillende soorten atomen. ESO/L. Calçada

Miljoenen jaren geleden, in een vergeten hoekje van de Melkweg, stortte een moleculaire wolk als vele andere ineen en vormde nieuwe sterren. Een van hen vormde zich relatief geïsoleerd en verzamelde materiaal in een protoplanetaire schijf eromheen, waaruit uiteindelijk onze zon, de acht planeten en de rest van ons zonnestelsel werden gevormd. Vandaag de dag beweren wetenschappers dat het zonnestelsel 4,6 miljard jaar oud is, plus of min een paar miljoen jaar. Maar hoe weten we dat? En zijn, laten we zeggen, de Aarde en de Zon even oud? Dat wil onze Patreon-supporter, Denier, weten voor de Ask Ethan van deze week:

Hoe weten we de leeftijd van ons zonnestelsel? Ik heb een beetje een idee van het dateren van de tijd die is verstreken sinds een steen vloeibaar was, maar 4,5 Miljard jaar is ongeveer hoe lang geleden Theia de proto-Aarde raakte en een enorme hoeveelheid van alles vloeibaar maakte. Hoe weten we dat we het zonnestelsel dateren en niet gewoon tientallen manieren vinden om de Theia-botsing te dateren?

Het is een grote, genuanceerde vraag, maar de wetenschap is opgewassen tegen de uitdaging. Hier is het verhaal.

tonen bewijs van planeetvorming in de protoplanetaire schijf rond Elias 2-27. Hoe oud de verschillende componenten van het systeem zijn die uiteindelijk zullen worden gevormd, is echter niet iets dat universeel bekend is. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team

We weten vrij veel over de geschiedenis van ons zonnestelsel en hoe het is ontstaan. We hebben zoveel geleerd door naar de vorming van andere sterren te kijken, door verre stervormingsgebieden te onderzoeken, door protoplanetaire schijven te meten, door sterren verschillende stadia in hun levenscyclus te zien doorlopen, enzovoort. Maar de manier waarop elk systeem evolueert is uniek, en hier in ons eigen zonnestelsel, miljarden jaren nadat de zon en de planeten zijn gevormd, hebben we alleen nog de overlevenden over.

In eerste instantie ontstaan alle sterren uit een pre-zonnige nevel die materiaal aantrekt, met een groot, buitenste gebied dat koud blijft, waar amorfe silicaten, koolstofverbindingen en ijs zich allemaal verzamelen. Zodra de pre-solaire nevel een proto-ster en vervolgens een volwaardige ster vormt, komt dit buitenste materiaal binnen en begint grotere klonters te vormen.

Op den duur groeien deze klonters en vallen ze naar binnen, waar ze op elkaar inwerken, samensmelten, migreren en elkaar mogelijk uitwerpen. In een tijdsbestek van honderdduizenden tot miljoenen jaren, als je eenmaal een ster hebt, worden de planeten gevormd; dit is snel op een kosmische tijdschaal. Hoewel er waarschijnlijk veel tussenliggende objecten waren, leek het zonnestelsel tegen de tijd dat er een paar miljoen jaar voorbij waren, vrij veel op wat wij nu hebben.

Maar er kunnen een paar belangrijke verschillen zijn geweest. Er kan een vijfde gasreus zijn geweest; de vier gasreuzen die wij hebben, kunnen veel dichter bij de zon hebben gestaan, omdat ze naar buiten zijn gemigreerd; en misschien wel het belangrijkste: tussen Venus en Mars bevonden zich waarschijnlijk niet één maar twee werelden: een proto-Aarde en een kleinere wereld ter grootte van Mars, Theia genaamd. Veel later, misschien tientallen miljoenen jaren na de vorming van de andere planeten, botsten de Aarde en Theia op elkaar.

Een lichaam ter grootte van een Mars botste tegen de vroege Aarde, waarbij het puin dat niet op de Aarde terugviel de Maan vormde. De Aarde en de Maan zouden dus jonger moeten zijn dan de rest van het zonnestelsel. NASA/JPL-Caltech

Het was deze botsing waarvan wij vermoeden dat zij de Maan heeft doen ontstaan: wij noemen deze gebeurtenis de reusachtige-inslag-hypothese. De gelijkenis van de Maanrotsen, zoals geborgen door de Apollo-missie, met de samenstelling van de Aarde, heeft ons doen vermoeden dat de Maan uit de Aarde is ontstaan. De andere rotsachtige planeten, die verdacht weinig grote manen hebben, hebben in hun verleden waarschijnlijk niet zo’n grote inslag gehad.

De gasreusachtige werelden, die veel meer massa hebben dan de andere, hebben de waterstof en helium (de lichtste elementen) vast kunnen houden die er waren toen het zonnestelsel voor het eerst werd gevormd; bij de andere werelden werd het overgrote deel van die elementen weggeblazen. Met te veel energie van de zon en niet genoeg zwaartekracht om deze lichte elementen vast te houden, begon het zonnestelsel de vorm aan te nemen die wij nu kennen.

Pictoris, enigszins analoog aan ons eigen Zonnestelsel tijdens zijn vorming. De binnenwerelden kunnen hun waterstof en helium niet vasthouden, tenzij ze massief genoeg zijn. Avi M. Mandell, NASA

Maar er zijn nu miljarden jaren verstreken. Hoe weten we hoe oud het zonnestelsel is? Is de Aarde even oud als de andere planeten; hebben we een manier om het verschil te zien? En wat is het uiteindelijke getal voor die leeftijd?

Het meest nauwkeurige antwoord komt, misschien verrassend, uit de geofysica. En dat betekent niet noodzakelijkerwijs “de fysica van de aarde”, maar veeleer de fysica van allerlei soorten gesteenten, mineralen en vaste lichamen. Alle objecten zoals deze bevatten een verscheidenheid aan elementen uit het periodiek systeem, met verschillende dichtheden/samenstellingen die overeenkomen met de plaats in het zonnestelsel, radiaal naar buiten vanaf de zon, waar ze gevormd zijn.

Let op het verband tussen dichtheid en afstand tot de zon. Karim Khaidarov

Dit impliceert dat verschillende planeten, asteroïden, manen, Kuipergordelobjecten, etc., bij voorkeur uit verschillende elementen moeten zijn opgebouwd. De zwaardere elementen in het periodiek systeem zouden bijvoorbeeld bij voorkeur in Mercurius te vinden moeten zijn tegenover bijvoorbeeld Ceres, die op zijn beurt weer verrijkter zou moeten zijn dan bijvoorbeeld Pluto. Maar wat universeel zou moeten zijn, althans dat zou je denken, zijn de verhoudingen tussen de verschillende isotopen van dezelfde elementen.

Toen het zonnestelsel werd gevormd, zou het bijvoorbeeld een specifieke verhouding van koolstof-12 tot koolstof-13 tot koolstof-14 moeten hebben. Koolstof-14 heeft een kosmisch korte halfwaardetijd (van een paar duizend jaar), dus de oer-koolstof-14 zou allemaal verdwenen moeten zijn. Maar koolstof-12 en koolstof-13 zijn beide stabiel, wat betekent dat overal waar we koolstof in het zonnestelsel aantreffen, ze dezelfde isotopenverhoudingen zouden moeten hebben. Dit geldt voor alle stabiele en instabiele elementen en isotopen in het zonnestelsel.

vandaag, zoals gemeten voor ons zonnestelsel. Wikimedia Commons gebruiker 28bytes

Omdat het Zonnestelsel miljarden jaren oud is, kunnen we kijken naar elementen die isotopen hebben met halfwaardetijden die in de miljarden jaren liggen. Na verloop van tijd, als het zonnestelsel ouder wordt, zullen deze isotopen radioactief vervallen, en door te kijken naar de verhoudingen van de vervalproducten ten opzichte van het oorspronkelijke materiaal dat nog over is, kunnen we bepalen hoeveel tijd er is verstreken sinds deze objecten zijn gevormd. De meest betrouwbare elementen voor dit doel zijn uranium en thorium. De twee belangrijkste natuurlijk voorkomende isotopen van uranium, U-238 en U-235, hebben verschillende vervalproducten en verschillende vervalsnelheden, maar beide liggen in de miljarden jaren. Voor thorium is het radioactieve Th-232 het meest bruikbaar.

Het meest opmerkelijke is echter dat het beste bewijs voor de leeftijd van de Aarde en het zonnestelsel niet van de Aarde zelf afkomstig is!

miljoen jaar geleden, die aanleiding gaf tot veel van de meteorieten die nu vallen. Don Davis, Southwest Research Institute

We hebben van tientallen meteorieten die op aarde zijn geland, de isotopische, elementaire abundanties gemeten en geanalyseerd. De sleutel is te kijken naar het element lood: de verhouding van Pb-207 tot Pb-206 verandert in de loop van de tijd als gevolg van het verval van U-235 (dat leidt tot Pb-207) en U-238 (dat leidt tot Pb-206). Door de Aarde en meteorieten als onderdeel van hetzelfde evoluerende systeem te beschouwen – met de aanname dat er dezelfde aanvankelijke isotopenverhoudingen zijn – kunnen we vervolgens kijken naar de oudste loodertsen die op Aarde zijn gevonden om de leeftijd van de Aarde, meteorieten en het Zonnestelsel te berekenen.

Het is een vrij goede schatting, en geeft ons een cijfer van 4,54 miljard jaar. Dit is goed voor meer dan 1% nauwkeurigheid, maar dat is nog steeds een onzekerheid van enkele tientallen miljoenen jaren.

Wanneer de meteoren de bovenkant van de atmosfeer van de Aarde raken, verbranden ze, waardoor de heldere strepen en lichtflitsen ontstaan die we associëren met meteorenregens. Soms is een vallende steen groot genoeg om het oppervlak te bereiken en een meteoriet te worden. NASA / public domain

Maar we kunnen beter doen dan alles bij elkaar optellen! Zeker, dat geeft een goede globale schatting, maar wij denken dat bijvoorbeeld de Aarde en de Maan iets jonger zijn dan de meteorieten.

• We kunnen kijken naar de oudste meteorieten, of naar die met de meest extreme loodverhoudingen, om te proberen de leeftijd van het zonnestelsel te schatten: we krijgen dan een getal van ongeveer 4,568 miljard jaar.
• We kunnen kijken naar het gesteente van de Maan, dat niet de geologische bewerking heeft ondergaan die het aardse gesteente wel heeft ondergaan. Ze dateren van 4,51 miljard jaar oud.

En tenslotte moeten we onszelf eens gezond verstand aanwenden. Dit alles was gebaseerd op de veronderstelling dat de verhouding tussen U-238 en U-235 overal in het zonnestelsel hetzelfde was. Maar nieuw bewijs in de afgelopen 10 jaar heeft aangetoond dat dit waarschijnlijk niet waar is.

detectoren, met inbegrip van hoe de abundanties van radioactieve materialen in de loop der tijd zijn vervallen. De door LUX waargenomen signalen komen overeen met de achtergrond alleen. Als elementen in de loop der tijd vervallen, veranderen de abundanties van reactanten en producten. D.S. Akerib e.a., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

Er zijn plaatsen waar U-235 tot 6% verrijkt is ten opzichte van de typische waarde. Volgens Gregory Brennecka,

Sinds de jaren vijftig, of zelfs daarvoor, was niemand in staat geweest om verschillen te detecteren . Nu zijn we in staat om kleine verschillen te meten. Het is een soort van zwarte ogen geweest voor een paar mensen in de geochronologie. Om echt te kunnen zeggen dat we de leeftijd van het zonnestelsel kennen op basis van de leeftijd van het gesteente, is het essentieel dat ze het allemaal met elkaar eens zijn.

Maar twee jaar geleden werd een oplossing ontdekt: er is nog een element dat een rol speelt. Curium, een element dat zwaarder is en een kortere halveringstijd heeft dan zelfs plutonium, vervalt radioactief in U-235, wat de variaties uitstekend verklaart. De onzekerheden die overblijven zijn hooguit een paar miljoen jaar.

waarmee alle zonnestelsels verondersteld worden zich te vormen, in de loop van de tijd zullen samensmelten tot planeten, zoals deze illustratie laat zien. Het is belangrijk te beseffen dat de centrale ster, de afzonderlijke planeten en het overgebleven oermateriaal (dat bijvoorbeeld asteroïden zullen worden) allemaal een leeftijd kunnen hebben die varieert in de orde van tientallen miljoenen jaren. NAOJ

In het algemeen kunnen we dus zeggen dat het oudste vaste materiaal dat we kennen in het zonnestelsel 4,568 miljard jaar oud is, met een onzekerheid van misschien maar 1 miljoen jaar. De Aarde en de Maan zijn misschien ~60 miljoen jaar jonger, en hebben hun definitieve vorm iets later bereikt. Bovendien kunnen we dit niet te weten komen door naar de Aarde zelf te kijken; de gesteenten die hier zijn overgebleven zijn allemaal ouder dan dat.

Maar de Zon kan, misschien verrassend, wel iets ouder zijn, aangezien haar vorming dateert van vóór de vaste objecten waaruit de andere componenten van het Zonnestelsel bestaan. De zon kan wel tientallen miljoenen jaren ouder zijn dan de oudste gesteenten in het zonnestelsel, mogelijk zelfs bijna 4,6 miljard jaar oud. De sleutel, hoe dan ook, is om het antwoord buiten-terrestriaal te zoeken. Ironisch genoeg is het de enige manier om de leeftijd van onze eigen planeet nauwkeurig te weten te komen!

Stuur je Ask Ethan-vragen naar startswithabang at gmail dot com!

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.